溫度對鋁合金電磁鑄造組織及成分的影響

劉書濤，王振哲

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

一般來說，在制備金屬材料時，金屬都要經(jīng)歷一個凝固過程。金屬的凝固組織就是金屬在凝固以后的一種存在狀態(tài)，對金屬的力學性能、物理性能和加工性能都具有很大的影響。人們總是希望獲得均勻、細小、致密的等軸晶組織，而對于大多數(shù)合金材料來說，在凝固的過程中，都容易生成粗大的枝晶組織，導致合金元素偏析和縮孔縮松現(xiàn)象的產(chǎn)生，這些都會嚴重影響合金材料的性能[1-2]。因此，獲得組織細密且性能良好鑄件的一個重要方法，就是控制鑄錠的凝固成型過程[3-4]。目前，工業(yè)上用于控制鑄錠凝固過程的方法主要有三大類：第一類是加快冷卻速度，獲得細晶組織；第二類是運用化學方法，如添加形核劑等；第三類是運用物理法，通過機械攪拌、超聲振蕩或者電磁場等，促使合金熔體中產(chǎn)生強制對流，抑制枝晶組織的生長，獲得細小均勻的等軸晶組織。在合金凝固的過程中施加行波磁場，行波磁場產(chǎn)生的攪拌流場是行波磁場控制和改善合金凝固過程的關(guān)鍵所在，攪拌流場的強度會直接影響鑄錠的凝固組織和合金元素的分布狀況。影響攪拌流場強度的因素主要有兩個，一個是行波磁場的磁場強度（即電磁力的大小頻率），另一個是熔體的黏度（即黏滯力的大?。?。合金熔體黏度的大小取決于熔體中固相率的大小，而合金熔體固相率的大小又與熔體內(nèi)部的溫度息息相關(guān)。由此可知，在凝固過程中，合金熔體的初始熔融溫度會嚴重影響行波磁場對于鑄錠凝固過程的控制和改善作用，進而影響行波磁場對于鑄錠凝固組織和合金元素偏析的改善效果。

1 實驗方法

本實驗探討的是合金溶液的溫度對于電磁鑄造鑄錠的影響，溫度指的是合金溶液放入磁場裝置中進行磁場處理之前的液態(tài)溫度。以銅質(zhì)量分數(shù)為5%的鋁合金作為實驗材料，銅質(zhì)量分數(shù)為5%的鋁合金是一種固溶型合金。實驗中采用的磁場為行波磁場，磁場的參數(shù)為電流160 A、頻率為20 Hz。采用坩堝底部通水的冷卻方式，水位為10 mm，水流量為20 L/h。實驗分別探討了合金溶液溫度在670、700和750 ℃條件下，行波磁場對于鑄錠宏觀組織均勻性、微觀晶粒組織細化、合金元素宏觀偏析和縮孔縮松現(xiàn)象的影響。實驗使用錦州三特公司生產(chǎn)的ZGLJ-0.01型真空感應(yīng)熔煉爐，主要用于配備質(zhì)量分數(shù)為5%的鋁合金，制備直徑為60 mm、高為100 mm的鋁合金鑄錠。真空感應(yīng)熔煉爐如圖1所示。

圖1 真空感應(yīng)熔煉爐

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對于鋁銅合金鑄錠宏觀組織的影響

不同溫度下的鋁銅合金鑄錠宏觀組織如圖2所示。圖2（a）（b）（c）分別是在溫度為670、700和750 ℃條件下，施加行波磁場得到的鑄錠宏觀組織圖。

由圖2可知，在670 ℃條件下，鑄錠的宏觀組織由枝晶和等軸晶混合而成，鑄錠的底部和邊部依然是發(fā)達的枝晶組織，枝晶的面積和尺寸較之未加磁場條件下，顯著縮小，靠近鑄錠中部的則為均勻的等軸晶組織，說明在670 ℃條件下，行波磁場對鑄錠的宏觀組織有改善作用。對比圖2（a）和（b）可知，在700 ℃條件下，行波磁場處理后鑄錠的宏觀組織，明顯好于670 ℃條件下的宏觀組織，具體表現(xiàn)為：組織更加細小均勻，等軸區(qū)的面積顯著增加。仔細觀察圖2（c）可知，在750 ℃下，宏觀組織主要為粗大的等軸晶組織，在鑄錠的邊部和底部，則存在極少量的粗大枝晶組織。對比圖2（b）和（c）發(fā)現(xiàn)，700 ℃條件下，行波磁場處理后的鑄錠組織要明顯細于750 ℃條件下的晶粒組織，等軸區(qū)的面積則沒有顯著變化。對比圖2（a）（b）和（c）可知，在合金熔體初始溫度為700 ℃時，行波磁場對于鑄錠宏觀組織的改善具有最佳效果。

圖2 溫度對于鋁銅合金鑄錠宏觀組織的影響

2.2 溫度對于鋁銅合金溶質(zhì)元素偏析的影響

不同溫度下Cu元素的質(zhì)量分數(shù)分布如圖3所示。在670 ℃條件下，沿著鑄錠軸向自下而上，Cu元素的質(zhì)量分數(shù)依次增加，與無磁場條件下的元素變化規(guī)律相同。Cu元素的質(zhì)量分數(shù)在軸向上的最大差值為0.73，略小于不加磁場時的1.03，這說明在670 ℃下，行波磁場對于合金元素在軸向上的偏析有一定的改善作用，但是效果不佳。當溫度為700 ℃時，合金元素在軸向上的分布呈現(xiàn)先減少后增加的變化趨勢，合金元素質(zhì)量分數(shù)的最大偏差發(fā)生在鑄錠中部和上部之間，最大偏差為0.56；當偏析程度高于不加磁場時，合金元素在鑄錠中部和上部之間的偏析程度、鑄錠下部和中部之間的偏析程度則低于不加磁場時的偏析程度。當溫度為750 ℃時，沿著鑄錠軸向自下而上，Cu元素的質(zhì)量分數(shù)依次增加，在軸向上的最大偏差為0.22，顯著小于不加磁場時的1.03，這說明在750 ℃下，行波磁場對于合金元素在軸向上的偏析有顯著的改善作用。對比不同溫度下的實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當溫度為750 ℃時，合金元素在軸向上的偏析度最小，且顯著小于其他條件下合金元素在軸向上的偏析度，這說明當溫度為750 ℃時，行波磁場對于合金元素的宏觀偏析具有最佳效果。

在700 ℃水冷條件下，在行波磁場產(chǎn)生的攪拌流場的攪拌作用下，鑄錠底部和邊部先形成的枝晶組織被卷入熔體內(nèi)部，此時，鑄錠內(nèi)部的溫度不足以完全熔化卷入的碎枝晶組織，增加了鑄錠內(nèi)部的形核核心。鑄錠內(nèi)部的溫度場被均勻化，實現(xiàn)了整個鑄錠內(nèi)部的均勻形核，進一步增加了形核核心，進而獲得等軸晶組織。同時在水冷條件下，保證了鑄錠的凝固速度，形成的形核核心能夠以較快的速度生長，進而獲得細小均勻的等軸晶組織。因此，從實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在700 ℃水冷條件下得到的晶粒組織為細小均勻的等軸晶粒組織。在合金的電磁鑄造過程中，只有在合適的初始熔體溫度條件下，才能最大限度地發(fā)揮磁場的細晶效果。

圖3 不同溫度下Cu元素的質(zhì)量分數(shù)分布

3 結(jié)語

探討了初始熔體溫度變化對于鑄錠凝固組織及成分偏析的影響規(guī)律，對實驗結(jié)果進行了分析討論，得到了以下結(jié)論：初始溫度會直接影響鑄錠凝固組織和合金元素偏析的改善效果，實驗表明，在700 ℃水冷條件下獲得的鑄錠最佳。